基于单片机的电子琴的设计.docx

基于单片机的电子琴目 录 1(课程设计目的1 1 2(课程设计题目描述和要求 3(课程设计报告内容1 3.1系统组成及总体框图1 3.2硬件部分1 3.3系统的软件设计10 4(总结14 参考文献 15 1. 课程设计目的 MCS-51)的资源、性能，加深对单片机课程的全面认识和熟悉典型单片机( 掌握，对单片机及其接口的应用作进一步的了解，掌握基于单片机的系统设计的一般流程、方法和技巧，为学生解决工程实际问题打下坚实的基础。 2. 课程设计题目描述和要求 利用所给键盘的1，2，3，4，5，6，7，8八个键，能够发出8个不同的音调，并且要求按下按键发声，松开延时一段时间停止，中间再按别的键则发另一音调的声音。 当系统扫描到键盘上有键被按下，则快速检测出是哪一个键被按下，然后单片机的定时器被启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。如果在前一个按下的键发声的同时有另一个键被按下，则启用中断系统，前面键的发音停止，转到后按的键的发音程序，发出后按的键的音。 3. 课程设计报告内容 1) 系统组成及总体框图 按键控制模块 播放模块 中心控制模块 喇叭 AT89C51 按 键 状 态 2) 硬件部分 , 元件简介 , AT89C51简介 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片1 机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示 主要特性:?与MCS-51 兼容 ?4K字节可编程FLASH存储器 ?寿命:1000写/擦循环 ?数据保留时间:10年 ?全静态工作:0Hz-24MHz ?三级程序存储器锁定 ?1288位内部RAM ?32可编程I/O线 ?两个16位定时器/计数器 ?5个中断源 ?可编程串行通道 ?低功耗的闲置和掉电模式 ?片内振荡器和时钟电路 管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P12 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示: 口管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不。因此它可用作对外变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，3 将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 , 蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。 ;蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。 蜂鸣器的结构原理 1(压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后(1.515V直流工作电压),多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 4 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。 2(电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。 接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 , 发声原理 声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线”“低”电平，则在该口线上就能产生一定频率的方波，将该方不断的输出“高波接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出波形的频率，从而改变音调。 乐曲中，每一音符对应着确定的频率，表1给出C调时各音符频率。如果单片机某个口线输出“高”“低”电平的频率和某个音符的频率一样，那么将此口线接上喇叭就可以发出此音符的声音。 本系统就是根据此原理设计，对于AT89C2051单片机来说要产生一定频率的方波大致是先将某口线输出高电平然后延时一段时间再输出低电平，如此循环的输出就会产生一定频率的方波，通过改变延时的时间就可以改变输出方波的频率，而单片机延时主要有两种方法: 第一种方法是使用循环语句来实现延时，让单片机循环的执行某条指令然后根据单片机每条指令运行的时间以及循环的次数来计算延时时间。对于单片机的晶振频率为12MHz时机器周期为1s。因此可以根据这些指令的执行时间和每条指令的循环次(数计算出以上的延时程序延时时间大约为50ms。但这种方法的计算的延时时间不是很准确并且为达到一定的延时时间先必须进行很复杂的运算。所以在延时时间要求不严格的时候才采用这种方法。但对于电子琴电路由于每个音符的频率值要求比较严格，变化范围不能太大，因此产生方波的频率也要求比较严格，不能采用延时程序来产生此方波。 5 第二种方法是使用单片机的定时,计数器延时。AT89C2051单片机内部有两个16位的定时,计数器T0和T1，单片机的定时,计数器实际上是个计数装置它既可以对单片机的内部晶振驱动时钟计数也可以对外部输入的脉冲计数，对内部晶振计数时称为定时器，对外部时钟计数时称为计数器。当对单片机的内部晶振驱动时钟计数时，每个机器周期定时,计数器的计数值就加1，当计数值达到计数最大值时计数完毕并通知单片机的CPU;对外部输入的时钟信号计数时，外部时钟的每个时钟上升沿定时,计数器的计数值就加1，当计数值达到计数最大值时计数完毕并通知单片机的CPU。因此，如果知道单片机的机器周期或者外部输入时钟信号的周期，单片机就可以根据定时器的计数值计算出定时的时间。用此方法定时十分准确，想得到多大的延时时间就可以给定时器赋一定的计数初值，定时器从预先设置的计数初值开始不断增1当增加到计数最大值时计数完毕，调整计数初值的大小就可以调整定时器定时的时间，从而达到准确的延时。本系统中就采用第二种方法通过定时/计数器延时。 定时器、计数器方式结构 TMOD 定时器工作方式控制寄存器: GCMMGCMMATE /T 1 0 ATE /T 1 0 T1方式字段 T0方式字段 GATE 为1 定时器/计数器受外部引脚电平控制(into/int1) C/t 为 1 计数;为 0 定时。 定时方式选择: MM 功 能 说 明 1 0 0 0 方式0 ，为13位计数/定时方式 0 1 方式1 ，为16位计数/定时方式 1 0 方式2 ，为8位常数自动重新装入计数/定时方式 1 1 方式3 ，仅施用T0,分为两个8位计数器 本设计采用工作方式0 6 定时器，计数器的工作方式O称之为13位定时,计数方式。它由TL(1,0)的低5位和TH(0/1)的8位构成13位的计数器，此时TL(1,0)的高3位未用。 对于定时器的工作模式可以根据定时器的寄存器TMOD来设置: ?M1M0:定时,计数器共有四种工作方式，就是用M1M0来控制的，2位正好是四种组合。 ?C,T:定时,计数器即可作定时用也可用计数用，如果C/T为O就是用作定时器(开关往上打)，如果C,T为1就是用作计数器(开关往下打)。一个定时,计数器同一时刻要么作定时用，要么作计数用，不能同时用的。 ?GATE:当我们选择了定时或计数工作方式后，定时,计数脉冲却不一定能到达计数器端，中间还有一个开关，显然这个开关不合上，计数脉冲就没法过去，那么开关什么时候过去呢?有两种情况 GATE=0，分析一下逻辑，GATE非后是1，进入或门，或门总是输出1，和或门的另一个输入端INT1无关，在这种情况下，开关的打开、合上只取决于TR1，只要TR1是1，开关就合上，计数脉冲得以畅通无阻，而如果TR1等于0则开关打开，计数脉冲无法通过，因此定时,计数是否工作，只取决于TR1。 GATE=1，在此种情况下，计数脉冲通路上的开关不仅要由TR1来控制，而且还要受到INT1引脚的控制，只有TRl为1，且INT1引脚也是高电平，开关才合上，计数脉冲才得以通过。这个特性可以用来测量一个信号的高电平的宽度 开机时。第一步是对定时器T0进行初始化，设定它的工作状态(对于本系统将T0设定为工作方式O);然后判断是否有键按下，如果没有按键按下，继续判断，如果有按键按下，则判断是哪个键按下;再根据按键的功能将计数初值装入定时器T0中中并启动T0，当T0定时完毕后，重新装入计数初值继续定时并将P3(6取反，再次定时完毕后再一次的装入计数初值继续定时并将P3(6取反，一直循环此操作直到按键释放为止，按键释放后停止T0工作并再次判断是否又有按键按下，并继续执行以前的过程。 定时器T0工作在方式0，13位计数方式所以最大的计数次数为213=8192次，由于单片机的晶振是12MHz则机器周期是1s，即定时器最大可以定时7 8192s。各个音符周期的一半即高电平或低电平持续的时间就是定时器需要定时的时间，所以对于各个音符的计数初值计算方法如下: 16设音符的频率为f，则计数初值=8192一各个音符的周期=8192- ，102f单片机12MHZ晶振，中音符与计数T0相关的计数值如表所示: 音符 频率(HZ) 简谱码(T值) 音符 频率(HZ) 简谱码(T值) 低1 DO 262 63628 # 4 FA# 740 64860 #1 DO# 277 63731 中 5 SO 784 64898 低2 RE 294 63835 # 5 SO# 831 64934 #2 RE# 311 63928 中 6 LA 880 64968 低 3 M 330 64021 # 6 932 64994 低 4 FA 349 64103 中 7 SI 988 65030 # 4 FA# 370 64185 高 1 DO 1046 65058 低 5 SO 392 64260 # 1 DO# 1109 65085 # 5 SO# 415 64331 高 2 RE 1175 65110 低 6 LA 440 64400 # 2 RE# 1245 65134 # 6 466 64463 高 3 M 1318 65157 低 7 SI 494 64524 高 4 FA 1397 65178 中 1 DO 523 64580 # 4 FA# 1480 65198 8 # 1 DO# 554 64633 高 5 SO 1568 65217 中 2 RE 587 64684 # 5 SO# 1661 65235 # 2 RE# 622 64732 高 6 LA 1760 65252 中 3 M 659 64777 # 6 1865 65268 中 4 FA 698 64820 高 7 SI 1967 65283 , 系统硬件模块设计 , 中心控制模块的硬件设计 本次设计中中心控制模块是采用AT89C51单片机来控制整个系统。其中P1口作为输入口，连接蜂鸣器驱动电路，而P2口连接按键控制电路， 从而实现播放音乐的功能。 , 播放模块的硬件设计 如下图所示,播放模块其实就是喇叭,它接到P1.0口上当有按键按下时,它就会发出声音. , 按键控制模块的硬件设计 在P.2口十连有8个按键并加有8个拉电阻.它们一端接5伏电源,一端接地.在仿真时,只要有一个键被按下,并被单片机扫描到,则会使播放器发出声音. 9 , Proteus仿真电路图 3) 系统的软件设计 软件是该电子琴控制系统的重要组成部分，在系统的软件设计中我们也才用了模块化设计，将系统的各部分功能编写成子模块的形式，这样增强了系统软件的可读性和可移植性。 , 软件流程 10 软件程序流程图 , 程序代码 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INT_T0 ORG 0100H MAIN: MOV SP,#60H ;初始化堆栈指针 MOV 30H,#00 ;定时器初值清零 MOV 31H,#00 MOV P1,#0FFH ;设置P1口为输入模式 MOV TMOD,#01H ;设置定时器0为工作模式1 SETB ET0 ;开定时器0中断 SETB EA ;开总中断 CLR TR0 ;关闭定时器0 START: MOV R0, P2 11 CJNE R0,#0FFH,KEY1 ;键盘扫描 CLR TR0 SJMP START KEY1: CJNE R0,#0FEH,KEY2 ;K1键按下 MOV 30H,#0FBH ;设置音阶1 MOV 31H,#0E9H LJMP SET_TIMER KEY2: CJNE R0,#0FDH,KEY3 ;K2键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶2 MOV 31H,#5CH LJMP SET_TIMER KEY3: CJNE R0,#0FBH,KEY4 ;K3键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶3 MOV 31H,#0C1H LJMP SET_TIMER KEY4: CJNE R0,#0F7H,KEY5 ;K4键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶4 MOV 31H,#0EFH LJMP SET_TIMER KEY5: CJNE R0,#0EFH,KEY6 ;K5键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶5 MOV 31H,#045H LJMP SET_TIMER KEY6: 12 CJNE R0,#0DFH,KEY7 ;K6键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶6 MOV 31H,#92H LJMP SET_TIMER KEY7: CJNE R0,#0BFH,KEY8 ;K7键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶7 MOV 31H,#0D6H LJMP SET_TIMER KEY8: CJNE R0,#7FH,NOKEY ;K8按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶8 MOV 31H,#0FBH SET_TIMER: SETB TR0 ;发声 SJMP START NOKEY: CLR TR0 ;无键按下 SJMP START INT_T0: ;T0中断服务程序 MOV TH0,30H ;定时器赋初值 MOV TL0,31H CPL P1.0 ;输出方波 RETI END 13 4. 总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。 回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿